JP2010218717A

JP2010218717A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010218717A
Application number: JP2009060681A
Authority: JP
Inventors: Fuminari Shizuku; 文成雫
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-30

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of setting a power generation area of an electrode body in the widest range, by effectively eliminating generation of an excessive surface pressure area and a surface pressure nonexistent area, even when compressive force of acting in stacking, acts in a concentrated manner on a laminated place of reinforcing films. <P>SOLUTION: This fuel cell is composed of a membrane electrode assembly 3, a gas permeation layer arranged on its both sides and a separator 7 of a three-layer structure arranged on any one gas permeation layer side and formed by laminating a first plate 71, an intermediate layer 73 and a second plate 72. The fuel cell has an absorbing mechanism of freely absorbing deflection of at least a first plate 71 or a second plate 72 in an area corresponding to a laminated place X of the reinforcing films 9 and 9' among the intermediate layer 73, by forming the laminated place X by laminating these parts on catalyst layers 2 and 2', by interposing the reinforcing films 9 and 9' between a peripheral edge exposed area 1a uncovered with the catalyst layers 2 and 2' of an electrolyte film 1 and the gas permeation layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、触媒層の周縁であって、ガス透過層と電解質膜の間に補強膜を備えた燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell including a reinforcing membrane between a gas permeable layer and an electrolyte membrane at the periphery of a catalyst layer.

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、このＭＥＡとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ＆ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる金属多孔体は不要である。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。 In a fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell, a membrane electrode assembly (MEA) is formed from an ion-permeable electrolyte membrane and an anode-side and cathode-side catalyst layer sandwiching the electrolyte membrane. An electrode body (MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly) is formed from this MEA and the anode-side and cathode-side gas diffusion layers (GDL) sandwiching the MEA, and provides fuel gas or oxidant gas to the electrode body In addition, a gas flow path layer made of a metal porous body for collecting electricity generated by an electrochemical reaction and a separator are arranged on both sides of the electrode body. In addition, the fuel cell in which the gas flow channel groove is formed in the separator is also a conventional one, and in this case, the metal porous body that becomes the gas flow channel layer is unnecessary. An actual fuel cell stack is formed by stacking and stacking a number of fuel cell cells according to required power.

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータに形成されたガス流路溝）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。 In the fuel cell described above, hydrogen gas or the like is provided as a fuel gas to the anode electrode, oxygen or air is provided as the oxidant gas to the cathode electrode, and each electrode has a unique gas flow path layer (or formed in a separator). The gas flows in the in-plane direction in the gas channel groove), and then the gas diffused in the gas diffusion layer is guided to the electrode catalyst layer to cause an electrochemical reaction.

上記するガス拡散層の形態として、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ：ＭｉｃｒｏＰｏｒｏｕｓＬａｙｅｒ）とから構成されるものは一般に知られるところである。一般には、触媒層は電解質膜よりも狭小な平面積（小さな平面積）を有しており、電解質膜が触媒層にて被覆されていない触媒層の周縁の露出領域には、ポリマー素材の補強膜（もしくは保護フィルム）が配設されており、この補強膜が拡散層基材と電解質膜の間に介在した構造が一般的である。補強膜を触媒層の周縁領域で拡散層基材と電解質膜の間に介在させることにより、触媒層を有する電解質膜（膜電極接合体）とガス拡散層をたとえば１００〜１３０℃程度の高温雰囲気下、１〜３ＭＰａ程度の圧縮力で熱圧着する（電解質膜に影響を与えない熱圧着条件）際に、繊維質の拡散層基材の表面から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さることを抑止することができる。 As a form of the gas diffusion layer described above, a gas diffusion layer composed of a diffusion layer base material and a current collecting layer (MPL: Micro Porous Layer) is generally known. In general, the catalyst layer has a smaller planar area (smaller planar area) than the electrolyte membrane, and a polymer material is reinforced in the exposed area around the catalyst layer where the electrolyte membrane is not covered with the catalyst layer. A membrane (or protective film) is provided, and a structure in which this reinforcing membrane is interposed between a diffusion layer substrate and an electrolyte membrane is common. By interposing the reinforcing membrane between the diffusion layer base material and the electrolyte membrane in the peripheral region of the catalyst layer, the electrolyte membrane (membrane electrode assembly) having the catalyst layer and the gas diffusion layer are in a high temperature atmosphere of about 100 to 130 ° C., for example. Below, when thermocompression bonding is performed with a compressive force of about 1 to 3 MPa (thermocompression conditions that do not affect the electrolyte membrane), fuzz protruding from the surface of the fibrous diffusion layer base material is prevented from piercing the electrolyte membrane. be able to.

また、上記する燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体や金属多孔体の周縁に形成されている。このガスケット成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえばガス流路となる金属多孔体を具備する燃料電池セルにおいては、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。なお、キャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを最初に収容し、次いで上記する構成部材を収容して射出成形をおこなう方法もある。 Further, in the fuel cell described above, the electrode body is provided with a gasket for sealing a fluid such as a fuel gas or an oxidant gas supplied to the membrane electrode assembly, and a cooling water for suppressing the temperature rise of the cell. And formed on the periphery of the porous metal body. This gasket molding is generally performed by injection molding or compression molding. For example, in a fuel cell having a metal porous body serving as a gas flow path, one metal porous body on the anode side or cathode side is accommodated in the cavity of the mold, and then the electrode body is accommodated, and then the anode side or Gasket molding is performed by injecting a resin into the gasket forming cavity at the periphery of the electrode body and the metal porous body in a posture in which the other metal porous body on the cathode side is accommodated. There is also a method in which either the anode side or the cathode side separator is first accommodated in the cavity, and then the above-described constituent members are accommodated for injection molding.

上記するセパレータには、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成された中間プレートが介層された３層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成するものなどがある。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この３層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの３層構造セパレータと、アノード側およびカソード側のガス透過層（エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などの金属多孔体からなるガス流路層）と、電極体（膜電極接合体およびガス拡散層）と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。 Examples of the separator include a three-layer structure in which an intermediate plate in which a flow path is formed between two plates made of titanium or stainless steel, for example, or an intermediate layer made of a resin frame. There are a plurality of dimples and ribs that define a flow path project from one of the plates to form a cooling water flow path. The separator having the three-layer structure is either the anode side or the cathode side separator of the cell itself, and at the same time, is the other separator on the anode side or the cathode side of the adjacent cell in the stacked posture. That is, the cell constituent member of the fuel cell having this three-layer structure separator is composed of one three-layer structure separator and a gas permeable layer on the anode side and the cathode side (from a porous metal body such as expanded metal or metal foam sintered body). Gas passage layer) and an electrode body (membrane electrode assembly and gas diffusion layer), and in a posture in which a plurality of fuel cells are stacked, an arbitrary fuel cell has an anode side at both ends and It has a cathode side separator.

上記する補強膜とガスケットを備えた従来の燃料電池セルの構造を図３に示しており、同図にはさらに、スタッキング時の圧縮力による、電極体に作用する面圧を該電極体の部位ごとに示している。図３において、電解質膜ａと、カソード側およびアノード側の触媒層ｂ１、ｂ２と、から膜電極接合体ｃが形成され、この膜電極接合体ｃをカソード側およびアノード側のガス拡散層ｄ（拡散層基材ｄ１と集電層ｄ２とから構成される）が挟持して形成される。触媒層ｂ１、ｂ２は電解質膜ａに比して狭小であり、電解質膜ａが触媒層ｂ１、ｂ２で被覆されていない露出領域にはカソード側およびアノード側の補強膜ｅ１，ｅ２が配され、これらが電解質膜ａと拡散層基材ｄ１の間に介在している。また、図示例はガス流路となる金属多孔体ｆをカソード側およびアノード側に備えたものであり、電極体と金属多孔体ｆの周縁には、射出成形され、その内部に流体流通用のマニホールドＭを有するガスケットｇが形成されている。また、セパレータｈは、２枚のステンレス製もしくはチタン製のプレートｈ１、ｈ２と、このプレート間に介在して冷却水などの冷却媒体用の流路を画成する中間層ｈ３と、から構成されている。 FIG. 3 shows the structure of a conventional fuel cell having the above-described reinforcing membrane and gasket. Further, the surface pressure acting on the electrode body due to the compressive force at the time of stacking is further shown in FIG. Shown for each. In FIG. 3, a membrane electrode assembly c is formed from an electrolyte membrane a and cathode and anode catalyst layers b1 and b2, and the membrane electrode assembly c is formed into a cathode-side and anode-side gas diffusion layer d ( A diffusion layer base material d1 and a current collecting layer d2) are sandwiched and formed. The catalyst layers b1 and b2 are narrower than the electrolyte membrane a, and the cathode-side and anode-side reinforcing membranes e1 and e2 are disposed in the exposed regions where the electrolyte membrane a is not covered with the catalyst layers b1 and b2. These are interposed between the electrolyte membrane a and the diffusion layer base material d1. In the illustrated example, a metal porous body f serving as a gas flow path is provided on the cathode side and the anode side, and the periphery of the electrode body and the metal porous body f is injection-molded, and fluid circulation is provided in the inside thereof. A gasket g having a manifold M is formed. The separator h is composed of two stainless steel or titanium plates h1 and h2 and an intermediate layer h3 that is interposed between the plates and defines a flow path for a cooling medium such as cooling water. ing.

図示例のごとく、補強膜ｅ１，ｅ２は、その触媒層側端部が触媒層ｂ１、ｂ２にラップ（積層）しているのが一般的である。この補強膜ｅ１，ｅ２は、熱圧着時に拡散層基材の毛羽が電解質膜ａに突き刺さると、この突き刺さり箇所がガスのクロスリークを助長することとなり、燃料電池のクロスリーク耐久性が低下し、発電性能の低下に直結するという課題を解消するために設けられている。すなわち、電解質膜ａが触媒層ｂ１、ｂ２と接触している領域は、該触媒層ｂ１、ｂ２にて電解質膜ａが毛羽の突き刺さりから保護されている一方で、上記する電解質膜ａの露出領域は補強膜ｅ１，ｅ２で毛羽の突き刺さりから保護される。ここで、触媒層ｂ１、ｂ２の端部から毛羽が電解質膜ａに通じることを回避するべく、図示するように、補強膜ｅ１，ｅ２の端部を触媒層ｂ１、ｂ２にラップさせるようにしている。上記補強膜のラップ構造を呈する従来技術として、特許文献１に開示の燃料電池を挙げることができる。 As in the illustrated example, the reinforcing membranes e1 and e2 generally have their catalyst layer side ends wrapped (laminated) on the catalyst layers b1 and b2. When the fluff of the diffusion layer base material pierces the electrolyte membrane a during thermocompression bonding, the reinforcing membranes e1 and e2 promote gas cross-leakage, and the cross-leak durability of the fuel cell decreases. It is provided in order to solve the problem of being directly linked to a decrease in power generation performance. In other words, the region where the electrolyte membrane a is in contact with the catalyst layers b1 and b2 is the region where the electrolyte membrane a is protected from fluff sticking by the catalyst layers b1 and b2, while the exposed region of the electrolyte membrane a described above. Are protected from fluff sticking by the reinforcing films e1 and e2. Here, in order to avoid the fluff from leading to the electrolyte membrane a from the ends of the catalyst layers b1 and b2, as shown in the figure, the ends of the reinforcing membranes e1 and e2 are wrapped on the catalyst layers b1 and b2. Yes. As a prior art exhibiting the wrap structure of the reinforcing membrane, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 can be cited.

なお、一般に補強膜は電解質膜や触媒層に比して高剛性であり、硬度も相対的に高いことから、上記する毛羽が突き刺さった場合でも、補強膜を貫通する毛羽の数は極めて少なくなり、結果として、補強膜を介し、電解質膜を介してアノード側とカソード側を毛羽が貫通することが効果的に抑止されている。 In general, since the reinforcing membrane is higher in rigidity than the electrolyte membrane and the catalyst layer and has a relatively high hardness, the number of fluff penetrating through the reinforcing membrane is extremely small even when the above-mentioned fluff is pierced. As a result, it is effectively prevented that the fluff penetrates the anode side and the cathode side through the reinforcing membrane and the electrolyte membrane.

ところで、燃料電池スタックは複数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされて形成されるものであるが、このスタッキング時の圧縮力は各燃料電池セルに伝達され、図示のごとく膜電極接合体ｃに対してその上下から圧縮力Ｐとして作用する。ここで、図示のごとく補強膜ｅ１，ｅ２が触媒層ｂ１、ｂ２とラップしている場合、相対的に高剛性の補強膜がラップしている電極体箇所Ａ（補強膜の積層箇所）が相対的に多くの割合の圧縮力を負担することとなり、それに起因して、他の電極体箇所には所期の圧縮力が作用しなくなるという課題が生じ得る。 By the way, the fuel cell stack is formed by stacking and stacking a plurality of fuel cells, and the compressive force at the time of stacking is transmitted to each fuel cell, and as shown in the drawing, it is applied to the membrane electrode assembly c. On the other hand, it acts as a compressive force P from above and below. Here, when the reinforcing membranes e1 and e2 are wrapped with the catalyst layers b1 and b2 as shown in the drawing, the electrode body portion A (the laminated portion of the reinforcing membrane) where the relatively rigid reinforcing membrane is wrapped is relatively As a result, a large amount of compressive force is borne, resulting in a problem that the desired compressive force does not act on other electrode body locations.

あるいは、図３の面圧グラフで示すように、補強膜が触媒層に積層してなる電極体箇所Ａでは面圧が過度に高くなり、その外側の補強膜が存在する領域は、該補強膜が電解質膜等に比して高剛性であるがゆえに過面圧領域となる。その一方で、電極体箇所Ａの内側は、ガス拡散層と触媒層が接触しない箇所Ｇが存在することにより、この箇所Ｇに対応する電極体箇所には面圧が作用せず、面圧無領域が形成される。そして、この面圧無領域より内側の発電領域で正常面圧領域が形成されるものである。同図からも明らかなように、この面圧無領域は、本来的には発電領域として見込むことのできる領域であるにもかかわらず、実際には面圧が作用しないために発電に寄与せず、結果として発電量の少ない燃料電池セルとならざるを得ないという課題も生じ得る。 Alternatively, as shown in the surface pressure graph of FIG. 3, in the electrode body portion A in which the reinforcing film is laminated on the catalyst layer, the surface pressure is excessively high, and the region where the outer reinforcing film exists is the reinforcing film. However, since it is more rigid than an electrolyte membrane or the like, it becomes an overpressure region. On the other hand, the inside of the electrode body portion A has a portion G where the gas diffusion layer and the catalyst layer are not in contact with each other, so that no surface pressure acts on the electrode body portion corresponding to this portion G, and there is no surface pressure. A region is formed. A normal surface pressure region is formed in the power generation region inside the surface pressure-free region. As is apparent from the figure, this surface pressure-free region does not contribute to power generation because the surface pressure does not actually act even though it is an area that can be expected as a power generation region. As a result, there may arise a problem that the fuel cell has to have a small amount of power generation.

特開２００８−７１５４２号公報JP 2008-71542 A

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒層の周縁であって、ガス透過層と電解質膜の間に補強膜（たとえば保護フィルム）を備え、この補強膜の端部が触媒層に積層（ラップ）している膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、を備えた燃料電池セルが積層されてなる燃料電池において、この補強膜が触媒層にラップしている電極体箇所が、スタッキング時の圧縮力のうちの相対的に多くの割合の圧縮力を負担し、そのために他の電極体箇所には所期の圧縮力が作用しなくなってしまうという課題や、あるいは、本来的に発電領域であるはずの電極体箇所に面圧が作用せず、そのために発電量が低くならざるを得ないという課題、を効果的に解消することのできる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is provided at the periphery of the catalyst layer, including a reinforcing film (for example, a protective film) between the gas permeable layer and the electrolyte film, and an end of the reinforcing film is provided. In a fuel cell in which a fuel cell comprising a membrane electrode assembly laminated (wrapped) on a catalyst layer and a gas permeable layer disposed on both sides of the membrane electrode assembly is laminated, the reinforcing membrane The electrode body part that wraps around the catalyst layer bears a relatively large proportion of the compressive force during stacking, and therefore the desired compressive force acts on the other electrode body parts. This effectively eliminates the problem that power generation will not be performed, or that the surface pressure does not act on the electrode body part that should be the power generation area, and the power generation amount must be reduced. To provide a fuel cell capable of That.

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、いずれか一方のガス透過層側には、第１のプレート、中間層、第２のプレートが積層された３層構造のセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、少なくとも、前記電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間には、補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しており、セパレータの前記中間層のうち、補強膜の前記積層箇所に対応する領域には、少なくとも前記第１のプレートもしくは第２のプレートの撓みを吸収自在な吸収機構が具備されているものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly formed of an electrolyte membrane and a catalyst layer that has a smaller planar area than the catalyst layer and abuts on both sides of the electrolyte membrane. A gas permeable layer is disposed on both sides of the joined body, and a separator having a three-layer structure in which a first plate, an intermediate layer, and a second plate are stacked is disposed on one of the gas permeable layers. A fuel cell in which the fuel cell is formed by stacking fuel cells, and at least a reinforcing membrane between the gas-permeable layer and the exposed region of the periphery of the electrolyte membrane not covered with the catalyst layer And a part of the reinforcing membrane is laminated on the catalyst layer to form a laminated portion, and in the intermediate layer of the separator, the region corresponding to the laminated portion of the reinforcing membrane is at least Deflection of the first plate or the second plate It absorbed freely absorbing mechanism in which is provided.

本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、第１のプレート（たとえばカソード側プレート）、中間層（もしくは中間プレート）、第２のプレート（たとえばアノード側プレート）が積層してなる３層構造のセパレータを有し、さらに、電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間に補強膜が介在し、この補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成してなるものである。さらに、この中間層のうち、補強膜の該積層箇所に対応する領域に適宜の吸収機構を有することにより、たとえばスタッキング時の圧縮力が燃料電池セルに作用し、上記積層箇所にて相対的に大きな圧縮力が作用した際に、該積層箇所に対応する補強膜、電解質膜、ガス透過層、セパレータの第１、もしくは第２のプレートをこの吸収機構内に撓ませることにより、該積層箇所に生じ得る相対的に大きな圧縮力を軽減できる燃料電池である。 The fuel cell constituting the fuel cell of the present invention has a three-layer structure in which a first plate (for example, a cathode side plate), an intermediate layer (or an intermediate plate), and a second plate (for example, an anode side plate) are laminated. In addition, a reinforcing film is interposed between the exposed area of the peripheral edge of the electrolyte membrane not covered with the catalyst layer and the gas permeable layer, and a part of the reinforcing film is laminated on the catalyst layer. In this way, a laminated portion is formed. Furthermore, by having an appropriate absorption mechanism in the region corresponding to the laminated portion of the reinforcing film in the intermediate layer, for example, the compressive force at the time of stacking acts on the fuel cell, and the When a large compressive force is applied, the reinforcing film, the electrolyte membrane, the gas permeable layer, and the first or second plate of the separator corresponding to the stacking location are bent into the absorption mechanism, thereby This is a fuel cell that can reduce a relatively large compressive force that may occur.

ここで、上記する積層箇所に相対的に大きな圧縮力が作用する理由は、補強膜が触媒層上にラップしているために、このラップした補強膜の厚み分だけ、当該箇所におけるガス拡散層やガス流路層がセル積層方向に膨らんでしまうこと、補強膜は電解質膜等に比して相対的に高剛性であること、より、圧縮力がこの積層箇所に集中し易くなるためである。なお、補強膜自体の厚みを可及的に薄層にするというアプローチも考えられるが、薄層にも限界があること、薄層にすることで、当初の配設目的である毛羽の突き刺さりによる貫通孔回避を達することができなくなる、などの理由から効果的なアプローチとは言い難い。 Here, the reason why a relatively large compressive force acts on the above-described laminated portion is that the reinforcing membrane is wrapped on the catalyst layer, so that the gas diffusion layer at the location is equal to the thickness of the wrapped reinforcing membrane. This is because the gas flow path layer swells in the cell stacking direction, the reinforcing membrane is relatively rigid compared to the electrolyte membrane, etc., and the compressive force is more likely to concentrate on this stacking location. . Although the approach of making the thickness of the reinforcing membrane itself as thin as possible is also conceivable, there is a limit to the thin layer, and by making the thin layer, it is due to the piercing of the fluff that is the original purpose of arrangement It is difficult to say that this is an effective approach because it makes it impossible to avoid through-holes.

本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、アノード側およびカソード側の双方の電極に補強膜（たとえば保護フィルム）を有する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方の電極に補強膜を有する形態の双方を包含するものである。 The fuel battery cell constituting the fuel cell of the present invention has a form in which a reinforcing film (for example, a protective film) is provided on both the anode side and cathode side electrodes, and a reinforcing film on either the anode side or cathode side electrode. It includes both forms.

また、燃料電池セルの構造は、膜電極接合体（ＭＥＡ）のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体（ＭＥＧＡ）と称呼している。また、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された形態は勿論のこと、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配された形態を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。 In addition, the structure of the fuel cell is such that a gas diffusion layer comprising a diffusion layer base material and a current collecting layer is provided on both the anode side and the cathode side of the membrane electrode assembly (MEA), and either the anode side or the cathode side. One of them includes both of the forms including only the current collecting layer (the diffusion layer base material is eliminated). In the present specification, any of these forms is referred to as an electrode body (MEGA). In addition to a configuration in which separators having gas flow channel grooves formed on both sides of the electrode body are directly arranged, a gas flow channel layer (a porous metal such as an expanded metal) is formed between a so-called flat type separator and the electrode body. Body) is included. Furthermore, the “gas permeable layer” is meant to include both a gas diffusion layer and a gas flow path layer. Therefore, in a cell configuration that does not include a gas flow path layer, a “gas permeable layer” means a “gas diffusion layer”, and in a cell configuration that includes both a gas diffusion layer and a gas flow path layer, The “permeation layer” means either or both of “gas diffusion layer” and “gas flow path layer”.

上記する３層構造のセパレータを構成する第１のプレート、中間層、第２のプレートは、ともにステンレスやチタンなどから形成することができ、その軽量化を図るべく、中間層は熱可塑性樹脂から成形されるものであってもよい。また、３つのプレートが金属素材からなる場合には、それぞれのプレートをろう付けすることで一体化でき、中間層が樹脂製の場合には、第１のプレートと中間層、第２のプレートと中間層をそれぞれ耐熱性の接着剤等で一体化できる。 The first plate, the intermediate layer, and the second plate constituting the separator having the three-layer structure described above can be made of stainless steel, titanium, or the like. The intermediate layer is made of a thermoplastic resin in order to reduce its weight. It may be molded. When the three plates are made of a metal material, they can be integrated by brazing each plate. When the intermediate layer is made of resin, the first plate, the intermediate layer, and the second plate Each intermediate layer can be integrated with a heat-resistant adhesive or the like.

第１のプレート、第２のプレート、中間層にはそれぞれ、冷却媒体流通用のマニホールド、酸化剤ガスや燃料ガスの供給用および排出用の各マニホールドが開設され、特に中間層には、その中央領域に冷却媒体がその面内方向に流れるための流路が形成されている。 Each of the first plate, the second plate, and the intermediate layer is provided with a manifold for circulating a cooling medium, and manifolds for supplying and discharging oxidant gas and fuel gas. A flow path for the cooling medium to flow in the in-plane direction is formed in the region.

ここで、上記する「吸収機構」として、たとえば以下の２つの形態を挙げることができる。 Here, examples of the “absorption mechanism” described above include the following two forms.

その一つは、吸収機構が、中間層に設けられた空洞からなる形態である。この空洞は、３層構造のセパレータの中間層のうち、上記する積層箇所に対応する位置に設けられるものであり、たとえば酸化剤ガスや燃料ガスを導入したり、排出するための既存の流通路を吸収機構として利用してもよいし（この流通路に上記積層箇所が位置するようにセルを製作する）、積層箇所に対応する位置に所望の大きさの空洞を新規に形成してもよい。 One of them is a form in which the absorption mechanism is composed of cavities provided in the intermediate layer. This cavity is provided at a position corresponding to the above-mentioned stacking position in the intermediate layer of the separator having a three-layer structure. For example, an existing flow passage for introducing or discharging an oxidant gas or a fuel gas is provided. May be used as an absorption mechanism (a cell is manufactured so that the above-mentioned stacked portion is positioned in this flow path), or a cavity having a desired size may be newly formed at a position corresponding to the stacked portion. .

また、吸収機構の他の一つは、吸収機構が、中間層に設けられ、上記する積層箇所以外の中間層と比較して相対的に剛性の低い低剛性領域からなる形態である。たとえば、ステンレス製の中間層において、上記積層箇所に対応する箇所に弾性ゴム等からなる低剛性領域を設け、この弾性ゴム等の変形性能により、対応する箇所の補強膜、電解質膜、ガス透過層、セパレータの第１、もしくは第２のプレートを撓ませることができる。 In addition, another one of the absorption mechanisms is a form in which the absorption mechanism is provided in the intermediate layer, and is formed of a low-rigidity region having relatively low rigidity as compared with the intermediate layer other than the above-described laminated portion. For example, in a stainless steel intermediate layer, a low-rigidity region made of elastic rubber or the like is provided at a location corresponding to the above-mentioned laminated location. The first or second plate of the separator can be bent.

スタッキング時の圧縮力が作用した際に、積層箇所に対応する少なくともセパレータの第１、もしくは第２のプレート、より具体的には、補強膜、電解質膜、ガス透過層、セパレータの第１、もしくは第２のプレートを該吸収機構内に撓ませることにより、図３で示したような過面圧領域の発生を効果的に解消することができ、この過面圧領域の解消と同時に、面圧無領域の発生も解消することができる。したがって、過面圧領域にスタッキング時の圧縮力の多くが作用して、その他の電極体領域に所望の圧縮力が作用しなくなるという課題や、面圧無領域の発生によって発電領域が少なくなり、発電量の少ない燃料電池となるという課題を効果的に解消することができる。 When the compressive force at the time of stacking is applied, at least the first or second plate of the separator corresponding to the stacking location, more specifically, the reinforcing membrane, the electrolyte membrane, the gas permeable layer, the first of the separator, or By bending the second plate into the absorption mechanism, the generation of the overpressure region as shown in FIG. 3 can be effectively eliminated. Simultaneously with the elimination of the overpressure region, the surface pressure is reduced. The occurrence of no area can also be eliminated. Therefore, much of the compressive force at the time of stacking acts on the overpressure area, the problem that the desired compressive force does not act on other electrode body areas, and the generation area is reduced due to the occurrence of no surface pressure area, The problem of becoming a fuel cell with a small amount of power generation can be effectively solved.

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、少なくとも、電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間に補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成するものに関し、３層構造のセパレータを形成する中間層のうち、上記積層箇所に対応する位置に設けられた適宜の吸収機構により、スタッキング時等の圧縮力が補強膜の上記積層箇所に集中し、相対的に多くの圧縮力が該積層箇所の電極体に作用した場合でも、少なくとも、該積層箇所に対応するセパレータの第１、もしくは第２のプレートをこの吸収機構内に撓ませることにより、過面圧領域や面圧無領域が生じることを効果的に解消することができ、電極体の発電領域を可及的に広範囲に広げることができる。 As can be understood from the above description, according to the fuel cell of the present invention, at least a reinforcing membrane is interposed between the exposed region of the peripheral edge of the electrolyte membrane that is not covered with the catalyst layer and the gas permeable layer, and In addition, regarding a structure in which a part of the reinforcing film is laminated on the catalyst layer to form a laminated portion, an appropriate absorption provided at a position corresponding to the laminated portion in an intermediate layer forming a separator having a three-layer structure. Even when a compressive force during stacking or the like is concentrated on the above-mentioned laminated portion of the reinforcing film and a relatively large amount of compressive force acts on the electrode body at the laminated portion, the mechanism of the separator corresponding to the laminated portion is at least. By bending the first or second plate into the absorption mechanism, it is possible to effectively eliminate the occurrence of an overpressure region or no surface pressure region, and to make the power generation region of the electrode body as much as possible. Widely spread to It can be.

本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の一部を拡大した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which expanded a part of one Embodiment of the fuel cell which comprises the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの他の実施の形態の一部を拡大した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which expanded a part of other embodiment of the fuel cell which comprises the fuel cell of this invention. 従来の燃料電池の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which expanded a part of electrode body and the gasket of the conventional fuel cell.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は、カソード側およびアノード側の双方に補強膜が配されたセル構造を示しているが、ガス拡散層からの毛羽の突き刺さりに起因した電解質膜を貫通する貫通孔が形成されないことを前提として、アノード側およびカソード側のいずれか一方にのみ補強膜が配されたセル構造であってもよい。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Although the illustrated example shows a cell structure in which a reinforcing film is disposed on both the cathode side and the anode side, a through-hole penetrating the electrolyte membrane due to fluff sticking out from the gas diffusion layer is not formed. As a premise, a cell structure in which a reinforcing film is disposed only on one of the anode side and the cathode side may be used.

図１、図２はそれぞれ、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の電極体とガスケットの一部を拡大した縦断面図である。この電極体５は、電解質膜１と、カソード側およびアノード側の触媒層２，２’と、から膜電極接合体３が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層４，４’（ガス透過層）が挟持して形成されている。なお、図示例では、電極体５の両側にカソード側およびアノード側のガス流路となる金属多孔体６，６’（ガス透過層）が配され、この電極体５および金属多孔体６，６’の周縁に樹脂素材のガスケット８が形成されている。 FIG. 1 and FIG. 2 are longitudinal sectional views showing an enlarged part of an electrode body and a gasket of one embodiment of a fuel cell constituting the fuel cell of the present invention. In this electrode body 5, a membrane electrode assembly 3 is formed from the electrolyte membrane 1 and the catalyst layers 2 and 2 'on the cathode side and the anode side, and this is formed into gas diffusion layers 4 and 4' on the cathode side and the anode side. (Gas permeable layer) is sandwiched and formed. In the illustrated example, porous metal bodies 6 and 6 ′ (gas permeable layers) serving as cathode and anode gas flow paths are arranged on both sides of the electrode body 5, and the electrode body 5 and the porous metal bodies 6 and 6. A gasket 8 made of a resin material is formed on the periphery of '.

ここで、触媒層２，２’は電解質膜１に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜１の両側の触媒層２，２’の周縁には該触媒層２，２’が存在しない露出領域１ａが形成される。 Here, the catalyst layers 2, 2 ′ have a smaller area than the electrolyte membrane 1, and therefore the catalyst layers 2, 2 ′ are disposed on the periphery of the catalyst layers 2, 2 ′ on both sides of the electrolyte membrane 1. An exposed region 1a in which no is present is formed.

この露出領域１ａには、カソード側およびアノード側の補強膜９，９’が配されており、より具体的には、該補強膜９，９’の一部が触媒層２，２’上にラップして積層箇所Ｘを形成した姿勢で、触媒層２，２’から露出領域１ａに亘って補強膜９，９’が配されており、ガス拡散層４，４’から突出する毛羽が電解質膜１に突き刺さるのを防護している。 The exposed region 1a is provided with cathode-side and anode-side reinforcing membranes 9, 9 ′, and more specifically, a part of the reinforcing membranes 9, 9 ′ is placed on the catalyst layers 2, 2 ′. In a posture in which the laminated portion X is formed by wrapping, reinforcing films 9 and 9 ′ are arranged from the catalyst layers 2 and 2 ′ to the exposed region 1a, and the fluff protruding from the gas diffusion layers 4 and 4 ′ is the electrolyte. The film 1 is protected from being pierced.

ここで、膜電極接合体３を構成する電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。 Here, the electrolyte membrane 1 constituting the membrane electrode assembly 3 includes, for example, a fluorine ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a carbonyl group, a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, It is formed from a non-fluorine polymer such as sulfonated phenylene sulfide.

また、触媒層２，２’は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層４，４’等の基材にたとえば塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。 In addition, the catalyst layers 2 and 2 ′ are prepared by mixing a conductive carrier (particulate carbon carrier or the like) carrying a catalyst, an electrolyte, and a dispersion solvent (organic solvent) to form a catalyst solution (catalyst ink). The catalyst layer is formed by stretching it in a layer shape with a coating blade, for example, on a base material such as the electrolyte membrane 1 or the gas diffusion layers 4 and 4 'and drying it in a hot air drying furnace or the like. It is formed. Here, the electrolyte forming the catalyst solution is a proton conductive polymer, an ion exchange resin having a skeleton of an organic fluorine-containing polymer, such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether. Sulfonated plastic electrolytes such as sulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone And sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. Examples of commercially available materials include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Examples of the dispersion solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, and diethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. , Propylene carbonate, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and various aromatic or halogen solvents, and these can be used alone or as a mixed solution. Furthermore, regarding a conductive carrier carrying a catalyst, examples of the conductive carrier include carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, and carbon compounds typified by silicon carbide. As this catalyst (metal catalyst), for example, any one of platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium, etc. can be used, preferably platinum or platinum alloy is used. It is good to do. Furthermore, as this platinum alloy, for example, platinum, aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, rhenium, osmium, iridium, titanium and lead An alloy with at least one of them can be mentioned.

また、ガス拡散層４，４’は、拡散層基材と集電層（図示せず）からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層２’，２から電子を集める電極の役割を果たすとともに、生成水等を排水する撥水作用を有するものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料と、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）などから形成できる。 The gas diffusion layers 4 and 4 ′ are each composed of a diffusion layer base material and a current collecting layer (not shown), and the diffusion layer base material has a low electrical resistance and can collect current. Although not particularly limited, for example, those mainly composed of a conductive inorganic substance can be mentioned. Examples of the conductive inorganic substance include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, graphite, and expansion. Examples thereof include carbon materials such as graphite, nanocarbon materials thereof, stainless steel, molybdenum, and titanium. Further, the form of the conductive inorganic substance of the diffusion layer base material is not particularly limited. For example, the conductive inorganic substance is used in the form of fibers or particles, but is an inorganic conductive fiber from the viewpoint of gas permeability, and particularly carbon fiber. Is preferred. As the diffusion layer substrate using inorganic conductive fibers, a woven fabric or non-woven fabric structure can be used, and examples thereof include carbon paper and carbon cloth. The woven fabric is not particularly limited, such as plain weaving, crest weaving, and binding weaving, and examples of the nonwoven fabric include those made by a papermaking method, a needle punching method, and a water jet punching method. Further, examples of the carbon fiber include phenol-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, and rayon-based carbon fiber. Furthermore, the current collecting layer serves as an electrode for collecting electrons from the catalyst layers 2 ′ and 2 on the anode side and the cathode side, and has a water repellent action for draining generated water and the like, and is a conductive material. It can be formed from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, silver, copper and their compounds or alloys, conductive carbon materials, fluororesin (PTFE), and the like.

また、金属多孔体６，６’は、エキスパンドメタルや金属発砲焼結体からなり、この発砲焼結体においては、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材が使用されるのがよく、さらには、ステンレス中にクロム炭化物や鉄−クロム炭化物などを分散した発泡体であってもよい。 Further, the porous metal bodies 6 and 6 'are made of expanded metal or a metal fired sintered body, and in this fired sintered body, a metal material having excellent corrosion resistance such as titanium, stainless steel, copper, nickel or the like is used. Furthermore, it may be a foam in which chromium carbide or iron-chromium carbide is dispersed in stainless steel.

さらに、補強膜９，９’は、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。
ガスケット８は、その端部のマニホールドＭの周縁に該マニホールドＭを囲繞する無端リブ８ａを有するものである。その成形方法の概要は、不図示の成形型内に３層構造のセパレータ７、アノード側の金属多孔体６’，電極体５、カソード側の金属多孔体６の順に収容して型閉めし、膜電極接合体３の側方のガスケット用キャビティ内に樹脂を注入する（射出成形）等の方法でおこなわれる。ここで、このガスケットの材料としては、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ウレタンＲＴＶゴムやブチルゴム系樹脂、シリコーンＲＴＶゴム、ＥＰＤＭ系樹脂等が使用できる。 Further, the reinforcing membranes 9 and 9 'are made of polytetrafluoroethylene, PVDF (polyvinyl difluoride), polyethylene, polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, polyphenylene ether (PPE), polypropylene, polyester, polyamide, copolyamide, polyamide. It is formed from an elastomer, polyimide, polyurethane, polyurethane elastomer, silicone, silicon rubber, silicon-based elastomer or the like.
The gasket 8 has an endless rib 8a surrounding the manifold M on the periphery of the manifold M at the end thereof. The outline of the molding method is as follows. A separator 7 having a three-layer structure, a metal porous body 6 ′ on the anode side, an electrode body 5, and a metal porous body 6 on the cathode side are accommodated in this order in a mold (not shown), and the mold is closed. This is performed by a method such as injection of resin into the gasket cavity on the side of the membrane electrode assembly 3 (injection molding). Here, as the material of the gasket, methanol-resistant epoxy resin, epoxy-modified silicone resin, silicone resin, fluorine resin, urethane RTV rubber, butyl rubber resin, silicone RTV rubber, EPDM resin, etc. are used. it can.

ここで、３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなるアノード側プレート７１（第１のプレート），カソード側プレート７２（第２のプレート）と、その間に、金属素材もしくは樹脂素材で冷却水等の冷却媒体用流路が形成された中間層７３（中間プレート）が介層されたものである。このセパレータ７は、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側の多孔体６'に燃料ガスを供給するためのガス流路（不図示）と、セルの積層姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体６に酸化剤ガスを供給するためのガス流路（不図示）が形成されており、さらには、上記する冷却媒体用流路（不図示）が形成されている。 Here, the separator 7 having a three-layer structure includes an anode side plate 71 (first plate) and a cathode side plate 72 (second plate) made of stainless steel or titanium, and a cooling water made of a metal material or a resin material between them. An intermediate layer 73 (intermediate plate) in which a cooling medium flow path is formed is interposed. This separator 7 includes a gas flow path (not shown) for supplying fuel gas to the porous body 6 'on the anode side of the fuel cell, which is a constituent element, and the cathode side of an adjacent cell in the cell stacking posture. A gas flow path (not shown) for supplying an oxidant gas to the porous body 6 is formed, and further, the above-described cooling medium flow path (not shown) is formed.

そして、中間層７３のうち、補強膜９，９’が触媒層２，２’にラップしている積層箇所Ｘに対応する位置には、空洞７３Ａが形成されている。 In the intermediate layer 73, a cavity 73A is formed at a position corresponding to the laminated portion X where the reinforcing membranes 9 and 9 'are wrapped by the catalyst layers 2 and 2'.

この空洞７３Ａにより、スタッキング時の圧縮力が燃料電池セルに作用し、積層箇所Ｘにて相対的に大きな圧縮力が作用した際に、該積層箇所Ｘに対応する補強膜、電解質膜、ガス透過層、セパレータのアノード側およびカソード側プレートをこの空洞７３Ａ内に撓ませることができ、従来構造の場合に該積層箇所Ｘに生じていた過度の圧縮力を効果的に解消もしくは緩和することができる。 Due to this cavity 73A, when a compressive force at the time of stacking is applied to the fuel cell, and a relatively large compressive force is applied at the stacking location X, the reinforcing membrane, the electrolyte membrane, and the gas permeation corresponding to the stacking location X The layer, the anode side of the separator, and the cathode side plate of the separator can be bent into the cavity 73A, and the excessive compressive force generated in the laminated portion X in the case of the conventional structure can be effectively eliminated or alleviated. .

なお、この空洞７３Ａは、中間層７３に形成されている、上記する酸化剤ガスや燃料ガスの導入用もしくは排出用のガス流路を上記積層箇所Ｘに対応する位置に設けることでこれを利用する形態であってもよいし、積層箇所Ｘに対応する位置に所望の大きさの空洞を新規に形成するものであってもよい。 The cavity 73A is used by providing a gas flow path for introducing or discharging the oxidant gas or fuel gas, which is formed in the intermediate layer 73, at a position corresponding to the stacked portion X. Alternatively, a cavity having a desired size may be newly formed at a position corresponding to the stacked portion X.

一方、図２で示す燃料電池セルでは、図１で示す空洞７３Ａの代わりに、弾性を有する弾性ゴムからなる低剛性領域７３Ｂを設けたものである。積層箇所Ｘに対応する補強膜、電解質膜、ガス透過層、セパレータのアノード側およびカソード側プレートの撓みをこの弾性ゴムで吸収することにより、積層箇所Ｘに生じ得る相対的に大きな圧縮力を軽減することができる。 On the other hand, in the fuel battery cell shown in FIG. 2, a low-rigidity region 73B made of elastic rubber having elasticity is provided instead of the cavity 73A shown in FIG. Reducing the relatively large compressive force that can be generated in the layer X by absorbing the reinforcement film, electrolyte membrane, gas permeable layer, and anode side and cathode side plates of the separator corresponding to the layer X with this elastic rubber. can do.

図１，２で示す燃料電池セルによれば、３層構造のセパレータ７を構成する中間層７３のうち、補強膜の積層箇所に対応する位置に、空洞７３Ａや低剛性領域７３Ｂが配されていることにより、当該積層箇所に対応する電極体部位に過度の面圧が生じたり、この過度の面圧領域に隣接する位置に面圧が生じない領域（面圧無領域）が形成されるといった課題を効果的に解消することができる。したがって、電極体における発電領域を可及的に広範囲に広げることができ、発電性能に優れた燃料電池を形成することが可能となる。 According to the fuel cell shown in FIGS. 1 and 2, the cavity 73A and the low-rigidity region 73B are arranged in the intermediate layer 73 constituting the separator 7 having the three-layer structure at a position corresponding to the laminated portion of the reinforcing film. As a result, an excessive surface pressure is generated in the electrode body portion corresponding to the laminated portion, or a region where no surface pressure is generated (a surface pressure-free region) is formed at a position adjacent to the excessive surface pressure region. The problem can be solved effectively. Therefore, the power generation region in the electrode body can be expanded as wide as possible, and a fuel cell excellent in power generation performance can be formed.

なお、実際の燃料電池は、図１，２で示す燃料電池セルが所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが配され、テンションプレートを介して圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。 In an actual fuel cell, the fuel cell shown in FIGS. 1 and 2 is stacked in a predetermined stage to form a fuel cell stack. Further, in the fuel cell stack, a terminal plate, an insulating plate, and an end plate are arranged on the outermost side, and a compressive force is applied through a tension plate to form a fuel cell. A fuel cell system mounted on an electric vehicle or the like includes this fuel cell, various tanks for storing hydrogen gas and air, a blower for supplying these gases to the fuel cell, a radiator for cooling the fuel cell, a fuel The battery is generally composed of a battery that stores electric power generated by the battery, a drive motor that is driven by the electric power, and the like.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.

１…電解質膜、１ａ…電解質膜の露出領域、２…カソード側の触媒層、２’…アノード側の触媒層、３…膜電極接合体、４…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、４’…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、５…電極体、６…カソード側のガス流路層（ガス透過層）、６’…アノード側のガス流路層（ガス透過層）、７…セパレータ、７１…アノード側プレート（第１のプレート）、７２…カソード側プレート（第２のプレート）、７３…中間層（中間プレート）、７３Ａ…空洞（吸収機構）、７３Ｂ…低剛性領域（吸収機構）、８…ガスケット、９…カソード側の補強膜、９’…アノード側の補強膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane, 1a ... Exposed region of electrolyte membrane, 2 ... Cathode side catalyst layer, 2 '... Anode side catalyst layer, 3 ... Membrane electrode assembly, 4 ... Cathode side gas diffusion layer (gas permeable layer) 4 '... anode side gas diffusion layer (gas permeable layer), 5 ... electrode body, 6 ... cathode side gas channel layer (gas permeable layer), 6' ... anode side gas channel layer (gas permeable layer) , 7 ... Separator, 71 ... Anode side plate (first plate), 72 ... Cathode side plate (second plate), 73 ... Intermediate layer (intermediate plate), 73A ... Cavity (absorption mechanism), 73B ... Low Rigid region (absorption mechanism), 8 ... gasket, 9 ... cathode side reinforcing membrane, 9 '... anode side reinforcing membrane

Claims

電解質膜と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、いずれか一方のガス透過層側には、第１のプレート、中間層、第２のプレートが積層された３層構造のセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、
少なくとも、前記電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間には、補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しており、
セパレータの前記中間層のうち、補強膜の前記積層箇所に対応する領域には、少なくとも前記第１のプレートもしくは第２のプレートの撓みを吸収自在な吸収機構が具備されている、燃料電池。 A membrane electrode assembly is formed from the electrolyte membrane and a catalyst layer that is in contact with both sides of the electrolyte membrane with a smaller plane area than this, and a gas permeable layer is disposed on both sides of the membrane electrode assembly, On one gas permeable layer side, a separator having a three-layer structure in which a first plate, an intermediate layer, and a second plate are stacked is arranged to form a fuel cell, and the fuel cell is stacked. A fuel cell,
At least, among the electrolyte membranes, a reinforcing membrane is interposed between the peripheral exposed region not covered with the catalyst layer and the gas permeable layer, and a part of the reinforcing membrane is laminated on the catalyst layer. Forming the laminated point,
A fuel cell, wherein an absorption mechanism capable of absorbing at least the deflection of the first plate or the second plate is provided in a region of the intermediate layer of the separator corresponding to the laminated portion of the reinforcing film.

前記吸収機構が、中間層に設けられた空洞からなる、請求項１に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the absorption mechanism includes a cavity provided in an intermediate layer.

前記吸収機構が、中間層に設けられた、相対的に剛性の低い低剛性領域からなる、請求項１に記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the absorption mechanism includes a low-rigidity region that is provided in the intermediate layer and has relatively low rigidity.

前記ガス透過層は、ガス拡散層、金属多孔体からなるガス流路層、該ガス拡散層と該ガス流路層の組み合わせ、のいずれかの形態からなり、
アノード側とカソード側双方のガス透過層が、複数の前記形態中の同一の形態、もしくは異なる形態のいずれかからなる、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。 The gas permeable layer is in any form of a gas diffusion layer, a gas flow path layer made of a metal porous body, a combination of the gas diffusion layer and the gas flow path layer,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas permeable layers on both the anode side and the cathode side are formed of one of a plurality of the same forms or different forms.